RU2543103C2 - Ионный двигатель - Google Patents
Ионный двигатель Download PDFInfo
- Publication number
- RU2543103C2 RU2543103C2 RU2013128809/06A RU2013128809A RU2543103C2 RU 2543103 C2 RU2543103 C2 RU 2543103C2 RU 2013128809/06 A RU2013128809/06 A RU 2013128809/06A RU 2013128809 A RU2013128809 A RU 2013128809A RU 2543103 C2 RU2543103 C2 RU 2543103C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- ion
- housing
- cathode
- engine
- ios
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Plasma Technology (AREA)
Abstract
Изобретение относится к энергетике. Ионный двигатель, содержащий корпус, закрепленные жестко на наружной поверхности корпуса газоразрядную камеру и ионно-оптическую систему и катод-нейтрализатор, установленный на корпусе, при этом корпус ионного двигателя имеет торообразную форму, причем катод-нейтрализатор установлен по центральной оси корпуса, электроды ионно-оптической системы и газоразрядная камера выполнены кольцеобразной формы, при этом их внутренние поверхности по периметру жестко закреплены на внутренней поверхности корпуса ионного двигателя. Изобретение позволяет значительно повысить вибропрочность электродов, обеспечить стабильность межэлектродных зазоров, а также обеспечивает увеличение КПД. 1 ил.
Description
Изобретение относится к области электроракетных двигателей (ЭРД).
Среди различных типов электроракетных двигателей (ЭРД) в ионных двигателях (ИД) может быть достигнут максимальный удельный импульс тяги.
Принцип действия ИД основан на извлечении из ионизованной плазмы ионов и дальнейшем их электростатическом ускорении. В таком двигателе полностью разделены процессы ионизации и ускорения. По способу перевода рабочего тела (РТ) в ионизованное состояние ИД разделяют на 3 группы: на основе разряда постоянного тока, ВЧ-разряда или СВЧ-разряда.
ИД средней мощности широко используются за рубежом. К настоящему времени разработан широкий спектр таких двигателей. В США разрабатываются, производятся и эксплуатируются ИД с разрядом постоянного тока [1].
Особенностью германских двигателей является то, что ионизация РТ происходит в ВЧ-разряде.
В японских двигателях ионизация ксенона происходит в СВЧ-разряде.
Одним из основных узлов ИД является ионно-оптическая система (ИОС).
Известен ИД [1 - с.240], содержащий газоразрядную камеру (ГРК), имеющую форму цилиндра с конической задней стенкой. К стенкам ГРК через изоляторы крепятся аноды. Магнитное поле создается с помощью электромагнитов, расположенных снаружи ГРК. Конфигурация магнитного поля задается тремя полюсными наконечниками. Внутри катодного полюсного наконечника расположен полый катод. Эмиттер - из гексаборида лантана. Рабочее тело (ксенон) подается в ГРК через коллектор, расположенный в районе ИОС, которая состоит из плазменного, ускоряющего и замедляющего электродов. Замедляющий электрод выполнен в виде кольца, охватывающего весь ионный пучок. Плазменный и ускоряющий электроды толщиной 0,5 и 1,0 мм имеют форму сегмента сферы с большим радиусом и обладают начальным прогибом, направленным наружу ГРК. Снаружи ИОС расположен катод-нейтрализатор.
Недостатком ИД с разрядом постоянного тока является то, что под высоким потенциалом находятся: анод, стенка ГРК, катод с подключенными к нему источниками электропитания, экранная сетка ИОС и кабели. Обеспечить надежную электрическую изоляцию указанных цепей от корпуса и в системе питания и управления (СПУ) технически сложно. Кроме того, двигатель с разрядом постоянного тока конструктивно сложнее двух других типов. Для его работы необходим катод ГРК, ток которого должен в 7-10 раз превосходить ток катода-нейтрализатора. Для двигателя мощностью (30-70) кВт с ионным током (10-20) А потребуется катод на разрядный ток (70-150) А. Создание такого сильноточного катода представляет собой достаточно сложную инженерную задачу. Катоды и нейтрализаторы, в особенности сильноточные, имеют ограниченный ресурс. Так, наработка катодов-нейтрализаторов ОКБ «Факел» (для СПД-100 на 4,5 А) не превышает 9000 ч [1 - с.33]. Поэтому потребуется резервирование как катодов, так и катодов-нейтрализаторов, но поместить несколько катодов в ГРК практически невозможно, так как катод должен располагаться вдоль продольной оси двигателя.
Самым мощным ионным двигателем к настоящему времени является лабораторная модель двигателя NEXIS мощностью до 25 кВт. Для повышения его мощности в 2-3 раза (необходимой для маршевых задач дальнего космоса) требуется пропорционально увеличить площадь ИОС. В результате, на мощность 50 кВт, диаметр модели должен быть около 0,8 м, на 75 кВт - 1 м. Мембрана такого диаметра, закрепленная по периферии, обладает малой вибропрочностью.
За прототип принят ионный двигатель с ВЧ-разрядом, например, RIT-ИД с радиочастотной ионизацией [2]. В общем случае ионный двигатель, например, RIT-22, содержит: 2- или 3-сеточную ИОС (круглого сечения); катод-нейтрализатор, установленный снаружи корпуса ИД; ГРК из диэлектрического материала с малым косинусом потерь; индуктор в виде спирали из медного провода; узел подачи ксенона, с газоэлектрической развязкой; корпус и радиочастотный генератор.
В радиочастотном двигателе единственным элементом, находящимся под высоким потенциалом, является экранная сетка (с подключенным к ней проводом), которая расположена внутри диэлектрической ГРК, выполняющей, помимо всего, защитную функцию. Поэтому особых мер по обеспечению электрической прочности изоляции этой сетки не требуется. Остальные элементы двигателя имеют относительно низкие потенциалы.
В разрабатываемом крупногабаритном ИД RIT-45 мощностью 35 кВт диаметр ИОС будет порядка 500 мм, в крупногабаритном ИД ЭРД-50 мощностью 30 кВт характерный размер ИОС (круглого сечения) составляет 700 мм [1]. При этом электроды ИОС традиционно выполняются в виде тонких (толщиной 0,4…1,0 мм) пластин перфорированных до 35000 отверстий. Причем допуск на точность выполнения отверстий в двух электродах обычно составляет не более 0,02 мм. Вибропрочность таких электродов, представляющих собой заделанную по окружности тонкостенную мембрану большой площади, перфорированную десятками тысяч отверстий, достаточно мала. Кроме того, расчет термической деформации электродов ИОС в крупногабаритном ИД с учетом геометрии, температурных полей и теплофизических свойств материалов показывает, что обеспечение приемлемых тепловых деформаций сеток представляет собой достаточно сложную задачу. В этом смысле предпочтительней делать сетки из однородного материала - углерода, который имеет наименьший коэффициент линейного расширения - минус 0,3·10-6 °C-1. Так как электроды являются практически изотермичными, они будут повторять форму друг друга. При использовании разнородных материалов сеток добиться стабильности межэлектродных зазоров в диапазоне (0,5-1,0) мм крайне сложно.
Недостатком такого крупногабаритного ИД является значительное снижение вибропрочности ИОС, представляющей собой огромную перфорированную мембрану. Кроме того, несимметричная установка катода-нейтрализатора снаружи ИОС, приводит к уменьшению КПД ИД на 5-7% [3].
Задачей предлагаемого изобретения является увеличение вибропрочности и надежности эксплуатации за счет обеспечения стабильности межэлектродных зазоров ИОС, а также повышение КПД крупногабаритного ИД.
Эта задача решается следующим образом.
В крупногабаритном ионном двигателе, содержащем корпус, закрепленные жестко на наружной поверхности корпуса газоразрядную камеру и ионно-оптическую систему и катод-нейтрализатор, установленный на корпусе, при этом корпус ионного двигателя имеет горообразную форму, причем катод-нейтрализатор установлен по центральной оси корпуса, электроды ионно-оптической системы и газоразрядная камера выполнены кольцеобразной формы, при этом их внутренние поверхности по периметру жестко закреплены на внутренней поверхности корпуса ионного двигателя.
На фиг.1 представлен общий вид ИД, который состоит из заключенных в кольцевой корпус 6 кольцевой 3-сеточной ИОС 1, расположенного вдоль центральной оси катода-нейтрализатора 2 и кольцевой ГРК 3, выполненной из диэлектрического материала с малым косинусом потерь. Индуктор 4 выполнен в виде спирали из медного провода и кольцевого узла подачи ксенона 5 с газоэлектрической развязкой. При этом ИОС 1 состоит из кольцевых: экранного электрода 7 с токоподводом 8, ускоряющего электрода 9 с токоподводом 10 и замедляющего электрода 11, электроразделенных изоляторами 12 и заделанных в корпус с наружной и внутренней стороны. Корпус 6 перфорирован отверстиями 13.
Для запуска двигателя подают расход ксенона в катод-нейтрализатор 2 и кольцевой узел подачи ксенона 5 ГРК 3. После стартового разогрева катода-нейтрализатора 2 инициируют в нем разряд и включают ВЧ-генератор, питающий индуктор 4. Электроны через ИОС 1 проникают в полость ГРК 3, где инициируют высокочастотный разряд. Затем подают напряжение на электроды 7, 9, 11 ИОС 1 и двигатель переходит в номинальный режим работы. Особенностью двигателя такой схемы является то, что только экранный электрод 7 ИОС 1 находится под высоким потенциалом, так как разряд в ГРК 3 является безэлектродным.
Рассмотрим две мембраны из одного и того же материала, одинаковой толщины, отличающиеся только диаметром.
Круговая частота собственных колебаний мембраны рассчитывается по формуле
где λ - круговая частота;
Р - цилиндрическая жесткость мембраны;
m - масса единицы площади мембраны;
R - радиус мембраны.
Цилиндрическая жесткость мембраны описывается следующим образом:
где Е - модуль Юнга;
h - толщина мембраны;
µ - коэффициент Пуассона.
В результате получаем:
. То есть собственная частота колебаний мембраны обратно пропорциональна ее площади. Сетки ИОС ионного двигателя в упрощенном виде можно представить в виде мембран. В ионном двигателе, в котором площадь оптики в два раза больше, чем у другого ИД, собственная частота сеток в два раза ниже. При одинаковом уровне перегрузок вдвое возрастет амплитуда перемещений, что увеличивает риск повреждения (поломок) сеток.
Таким образом, при необходимости значительного увеличения мощности двигателя (площади его ИОС) предпочтительно использовать предложенный ИД. В нем электроды ИОС закреплены по наружной и по внутренней поверхностям корпуса. Такая конструкция ИД позволит значительно повысить вибропрочность электродов и обеспечить стабильность межэлектродных зазоров в диапазоне (0,5-1,0) мм при их термическом расширении во время работы ИД.
Кроме того, центральное расположение катода-нейтрализатора обеспечит увеличение КПД на несколько (5-7) процентов, особенно при значительном увеличении диаметра ИОС.
Литература
1. Холловские и ионные плазменные двигатели для космических аппаратов / О.А. Горшков, В.А. Муравлев, А.А. Шагайда; под ред. акад. РАН А.С. Коротева. - М.: Машиностроение. - 2008.
2. H.W. Loeb, D. Feili, G.A. Popov, V.A. Obukhov, V.V. Balashov, A.I. Mogulkin, V.M. Murashko, A.N. Nesterenko, and S.A. Khartov: "Design of High-Power High-Specific Impulse RF-Ion Thruster", 32 nd IEPC, Wiesbaden, Sept. 11-15, 2011.
3. Исследование и разработка катодов нового поколения для стационарных плазменных двигателей. Архипов Б.А. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. Калининград, 1998 г. С.21.
Claims (1)
- Ионный двигатель, содержащий корпус, закрепленные жестко на наружной поверхности корпуса газоразрядную камеру и ионно-оптическую систему и катод-нейтрализатор, установленный на корпусе, отличающийся тем, что корпус ионного двигателя имеет торообразную форму, при этом катод-нейтрализатор установлен по центральной оси корпуса, электроды ионно-оптической системы и газоразрядная камера выполнены кольцеобразной формы, причем их внутренние поверхности по периметру жестко закреплены на внутренней поверхности корпуса ионного двигателя.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013128809/06A RU2543103C2 (ru) | 2013-06-24 | 2013-06-24 | Ионный двигатель |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013128809/06A RU2543103C2 (ru) | 2013-06-24 | 2013-06-24 | Ионный двигатель |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2013128809A RU2013128809A (ru) | 2014-12-27 |
RU2543103C2 true RU2543103C2 (ru) | 2015-02-27 |
Family
ID=53278606
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2013128809/06A RU2543103C2 (ru) | 2013-06-24 | 2013-06-24 | Ионный двигатель |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2543103C2 (ru) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2618761C1 (ru) * | 2016-05-23 | 2017-05-11 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" | Ионный источник для электростатического ракетного двигателя |
RU2660927C1 (ru) * | 2017-09-27 | 2018-07-11 | Григорий Григорьевич Волков | Индукционно-ионный двигатель |
RU2709231C1 (ru) * | 2018-12-01 | 2019-12-17 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" (ФГАОУ ВО "СПбПУ") | Мембранный ионно-плазменный ракетный двигатель космического аппарата |
RU2732865C2 (ru) * | 2015-08-31 | 2020-09-23 | Эколь Политекник | Сетчатый ионный двигатель с находящимся в нем твердым рабочим телом |
Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3345820A (en) * | 1965-10-19 | 1967-10-10 | Hugh L Dryden | Electron bombardment ion engine |
SU682150A3 (ru) * | 1976-07-28 | 1979-08-25 | Мессершмитт-Белков-Блом Гмбх (Фирма) | Ионный двигатель |
FR2693770A1 (fr) * | 1992-07-15 | 1994-01-21 | Europ Propulsion | Moteur à plasma à dérive fermée d'électrons. |
RU2107837C1 (ru) * | 1993-06-21 | 1998-03-27 | Сосьете Оропеен де Пропюльсьон | Плазменный двигатель уменьшенной длины с замкнутым дрейфом электронов |
RU2153187C1 (ru) * | 1997-04-11 | 2000-07-20 | Хьюз Электроникс Корпорейшн | Способ формирования перфорированного непланарного электрода (варианты), ионно-оптическая система и ионный ракетный двигатель малой тяги |
RU2204053C2 (ru) * | 2000-09-29 | 2003-05-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие Российского авиационно-космического агентства "Опытное конструкторское бюро "Факел" | Плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов |
RU2426007C1 (ru) * | 2010-03-23 | 2011-08-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Опытное конструкторское бюро "Факел" | Плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов |
-
2013
- 2013-06-24 RU RU2013128809/06A patent/RU2543103C2/ru active
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3345820A (en) * | 1965-10-19 | 1967-10-10 | Hugh L Dryden | Electron bombardment ion engine |
SU682150A3 (ru) * | 1976-07-28 | 1979-08-25 | Мессершмитт-Белков-Блом Гмбх (Фирма) | Ионный двигатель |
FR2693770A1 (fr) * | 1992-07-15 | 1994-01-21 | Europ Propulsion | Moteur à plasma à dérive fermée d'électrons. |
RU2107837C1 (ru) * | 1993-06-21 | 1998-03-27 | Сосьете Оропеен де Пропюльсьон | Плазменный двигатель уменьшенной длины с замкнутым дрейфом электронов |
RU2153187C1 (ru) * | 1997-04-11 | 2000-07-20 | Хьюз Электроникс Корпорейшн | Способ формирования перфорированного непланарного электрода (варианты), ионно-оптическая система и ионный ракетный двигатель малой тяги |
RU2204053C2 (ru) * | 2000-09-29 | 2003-05-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие Российского авиационно-космического агентства "Опытное конструкторское бюро "Факел" | Плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов |
RU2426007C1 (ru) * | 2010-03-23 | 2011-08-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Опытное конструкторское бюро "Факел" | Плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2732865C2 (ru) * | 2015-08-31 | 2020-09-23 | Эколь Политекник | Сетчатый ионный двигатель с находящимся в нем твердым рабочим телом |
RU2618761C1 (ru) * | 2016-05-23 | 2017-05-11 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" | Ионный источник для электростатического ракетного двигателя |
RU2660927C1 (ru) * | 2017-09-27 | 2018-07-11 | Григорий Григорьевич Волков | Индукционно-ионный двигатель |
RU2709231C1 (ru) * | 2018-12-01 | 2019-12-17 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" (ФГАОУ ВО "СПбПУ") | Мембранный ионно-плазменный ракетный двигатель космического аппарата |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2013128809A (ru) | 2014-12-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2543103C2 (ru) | Ионный двигатель | |
KR100751594B1 (ko) | 플라즈마 가속장치 | |
US20180226782A1 (en) | Passive compound strong-ionization discharging plasma lightning rejection device | |
RU2389990C2 (ru) | Комбинированный ионизационный вакуумметрический преобразователь | |
GB974962A (en) | Improvements in or relating to electron discharge tubes having electron guns | |
WO2003081965A1 (fr) | Source d'electrons a plasma | |
CN108194293B (zh) | 一种同轴式感应触发脉冲等离子体推进器 | |
RU2565646C1 (ru) | Ионный двигатель | |
JP5722254B2 (ja) | デフレクタ | |
RU107657U1 (ru) | Форвакуумный плазменный электронный источник | |
RU192776U1 (ru) | Импульсный источник ионов пеннинга | |
JP3696079B2 (ja) | 慣性静電閉じ込め装置 | |
Sun et al. | Miniature, 3D-printed, monolithic arrays of corona ionizers | |
Meyerand et al. | High‐Current Ion Source | |
RU209633U1 (ru) | Вакуумная нейтронная трубка | |
CN104332373B (zh) | 一种产生圆柱形多注强流相对论电子束的冷阴极 | |
US11482394B2 (en) | Bidirectional gas discharge tube | |
US9620324B2 (en) | X-ray tube | |
RU2338294C1 (ru) | Широкоапертурный источник газовых ионов | |
RU2561235C1 (ru) | Датчик вакуума | |
RU185318U1 (ru) | Плазменный источник проникающего излучения | |
RU2682067C2 (ru) | Высокочувствительный ионизационный вакуумметрический преобразователь | |
RU152775U1 (ru) | Стационарный плазменный двигатель с модифицированным каналом | |
US2939046A (en) | Electron beam control | |
Gorshunov et al. | An experimental plant for studying magnetized rotating plasma |